無線視頻傳輸技術在光學實驗中的應用*

駱明輝 林二妹

(閩南理工學院基礎部 福建 泉州 362700)

1 引言

在大學物理實驗課程開設的實驗中，光學實驗相對其他的實驗難度大，要求學生首先要對實驗原理有很好的理解，其次要有很好的動手能力．如果單純靠學生自己動手摸索完成整個實驗，有的實驗安排的3個課時都不夠用，絕大部分學生很難在規(guī)定時間內(nèi)完成實驗．這種情況下實驗指導教師對實驗的演示和講解就起到非常關鍵的作用，成功的演示和有效的講解將會很大程度上幫助學生理解實驗原理和掌握實驗操作要領．但教師的演示和講解受到客觀環(huán)境的限制，像“牛頓環(huán)的干涉”“用分光計測三棱鏡的折射率”“用衍射光柵測光波的波長”“楊氏模量的測定”這4個實驗，在觀察實驗現(xiàn)象的時候，需要用眼睛緊貼目鏡看．一個目鏡同一時間只能一只眼睛看，教師看了學生就看不了．因為這個限制，教師只能用口頭語言描述自己所看到的實驗現(xiàn)象，而每個學生對教師所描述的現(xiàn)象又會有不一樣的理解，錯誤的理解會導致他們出現(xiàn)錯誤的操作．如果能讓所有的學生在聽到教師講解實驗操作的同時，同步地看到老師所看到的圖像，那么這種錯誤的理解將會大大地減少，從而可以有效地提高實驗的效率．

本文提出引入無線視頻傳輸技術[1]，對傳統(tǒng)的實驗設備加以改進，解決上述在光學實驗演示過程中所遇到的問題．

2 設計原理

無線視頻傳輸原理架構如圖1所示.

圖1 無線視頻傳輸設計原理圖

從左到右設計原理分解如下：

(1)透過目鏡里的光線在CCD攝像頭里成像[2]；

(2)CCD元件將光信號轉(zhuǎn)換成模擬電信號傳輸給無線視頻發(fā)射器；

(3)無線視頻發(fā)射器將模擬電信號轉(zhuǎn)換成電磁波發(fā)射出去；

(4)電磁波被無線接收器接收到，電磁波轉(zhuǎn)換成模擬電信號傳輸給投影儀；

(5)投影儀將模擬電信號轉(zhuǎn)換成光信號，投影在大屏幕上，還原目鏡里的圖像．

3 應用實例

本文將以“用分光計測三棱鏡的折射率”和“用衍射光柵測光波的波長”兩個實驗[3]為例，展示如何將無線視頻傳輸技術應用在輔助光學演示實驗中．這兩個實驗在大學物理的光學實驗中，是比較典型的有難度的實驗，因為它們都需要用到分光計．分光計在大學物理實驗中是一個非常重要的實驗儀器，可用于需要非常精確測量角度的實驗．分光計結構復雜，調(diào)節(jié)步驟繁瑣，使得這兩個實驗相對比較有難度．若能很好地解決這兩個實驗的演示問題，其他光學實驗的演示也將變得容易．具體應用如下．

3.1 圖像采集部分

如圖2所示“用衍射光柵測光波的波長”的實驗．圖像采集用的攝像頭型號為：三星SDC-313，分辨率大約500電視線，最低照度為0.5Lux，輸出的視頻信號為模擬信號．電源為DC12 V，鏡頭焦距為8 mm．攝像頭固定在可升降的光學底座上，便于精確對準目鏡．無線視頻發(fā)射器的工作頻率是1.2 GHz，電源為DC12 V，發(fā)射功率為1～5 W．這個功率能夠保證在實驗室有學生做實驗，人體會反射和吸收一部分電磁信號的情況下，實驗室的任何一個角落仍然有良好的信號．

圖2 用衍射光柵測光波的波長

3.2 圖像投影部分

如圖3所示，無線視頻接收器使用的是DC12 V電源，工作頻率是1.2 GHz．與發(fā)射機對頻后輸出模擬視頻信號至投影儀，投影儀將圖像投影至大屏幕顯示．無線視頻發(fā)射機和接收機點對點進行信息傳送，無需通過網(wǎng)絡連接，適用于無網(wǎng)絡的環(huán)境．

圖3 無線視頻接收與投影

3.3 實驗效果

圖4 汞燈的光柵衍射光譜

圖5是“用分光計測三棱鏡的折射率”實驗中調(diào)節(jié)分光計與測量三棱鏡頂角過程中看到的從三棱鏡的光滑面反射至目鏡里的分劃板的十字叉絲像．從圖中可以看到，分劃板與十字叉絲的像都非常的清晰．在演示用各半調(diào)節(jié)法調(diào)節(jié)十字叉絲像的位置時，學生能夠很直觀地看到當調(diào)節(jié)載物臺調(diào)平螺釘和望遠鏡光軸高低調(diào)節(jié)螺釘?shù)臅r候，十字叉絲像位置的上下移動情況，這樣就能夠很好地幫助他們理解調(diào)節(jié)的過程，掌握各半調(diào)節(jié)法．

圖5 分劃板與十字叉絲像

4 結論

本文以兩個典型的光學實驗為例，展示了如何將無線視頻傳輸技術應用在課堂輔助演示光學實驗中．從實驗演示的效果來看，這項技術確實非常成功地解決了在引言中所提到的困難，切實有效地提高了光學實驗的教學效率．用投影儀代替小的顯示器，一方面投影出來的圖像更大，使得全體學生都能很清晰地看到實驗現(xiàn)象；另一方面因為投影儀是可以懸掛的，不需要放在實驗臺上，減少了實驗臺上設備的數(shù)量，使得實驗臺更加寬敞．以無線代替有線，減少了布線的人工成本與材料成本．少了線的約束，攝像頭可移動性增強，教師可以在講臺上演示，也可以在實驗室內(nèi)任何一臺儀器上演示；可以在某個特定的實驗室演示，也可以拿到其他實驗室演示，儀器的利用率提高．因為光學實驗的相通性，這項技術的應用不局限于文中所提到的兩個實驗，也同樣可以應用在其他的光學實驗中，甚至是非光學實驗中．